SMPS - Switched-mode power supply
Bir anahtar-modlu güç tedarik ( anahtarlama güç kaynağı , anahtarlamalı güç kaynağı , güç desteği , AGK veya değiştiriciyi bir elektronik olan) bir güç kaynağı , bir araya sviçleme regülatörü için elektrik güç dönüştürmek verimli. Diğer güç kaynakları gibi, SMPS DC veya AC kaynağından (genellikle giden gücü, güç elektrik şebekesine böyle bir şekilde DC yükler için) kişisel bilgisayar dönüştürülürken, gerilim ve akım karakteristiklerini. Bir aksine doğrusal güç kaynağı , bir anahtarlama modlu arz geçiş transistörü sürekli düşük arasında geçiş dağılımı , tamamen açık ve tam kapalı devletler ve enerjiyi boşa en aza indirir yüksek dağılımı geçişleri, çok az zaman harcıyor. İdeal olarak, bir SMPS hiçbir gücü dağıtır. Voltaj regülasyon ile-soluk zaman oranının değiştirilmesiyle elde edilir. Buna karşılık, doğrusal bir güç kaynağı sürekli geçiş güç yayarak çıkış voltajını düzenler transistörü . Bu, daha yüksek bir güç konversiyon randımanı ve bir anahtar-modlu güç tedarik önemli bir avantajdır. Anahtarlı güç kaynakları, aynı zamanda, daha küçük bir transformatör boyutu ve ağırlığına, bir uzunlamasına besleme önemli ölçüde daha küçük ve daha hafif olabilir.
Daha yüksek verim, küçük boyut ve daha hafif gerekli olduğunda geçiş düzenleyiciler, lineer regülatörlerin için alternatif olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, daha karmaşık; dikkatle bastırılmış değilse onların anahtarlama akımları elektriksel gürültü sorunlarına neden olabilir, ve basit tasarımlar zayıf olabilir güç faktörünü .
içindekiler
- 1 Tarihçe
- 2 Açıklama
- 3 avantajları ve dezavantajları
- 4 SMPS ve doğrusal güç kaynağı karşılaştırması
- 5 operasyon teorisi
- 6 Trafo tasarım
- 7 Güç faktörü
- 8 Türleri
- 9 Etkinliği EMI
- 10 Başarısızlık modları
- 11 Önlemler
- 12 Uygulamalar
- 13 Terminoloji
- 14 Ayrıca bakınız
- 15 Notlar
- 16 Kaynaklar
- 17 Ek okumalar
- 18 Dış bağlantılar
Tarihçe
- 1836
- İndüksiyon bobinleri , yüksek voltaj oluşturmak için geçiş yapar.
- 1910
- Tarafından icat bir endüktif deşarj ateşleme sistemi Charles F. Kettering ve şirketi Dayton Engineering Laboratories Şirketi (Delco) Cadillac üretime gidiyor. Kettering ateşleme sistemi bir geri uçuş yükseltici konvertörün bir mekanik anahtarlamalı versiyonudur; Transformatör ateşleme bobindir. Katı-hal elektronik anahtarlamalı alternatifler, o zaman ilk değiştirilmesi başladığı bu ateşleme sisteminin varyasyonları 1960'lara kadar olmayan tüm dizel, içten yanmalı motorlarda kullanılan kapasitif boşaltma ateşleme sistemleri.
- 1926
- 23 Haziran'da, İngiliz mucit Philip Ray Coursey onun "Elektrik Kondenser" için, ülkesinin ve Amerika Birleşik Devletleri'nde bir patent için de geçerlidir. Patent yüksek frekanslı söz kaynak diğer kullanımlar arasında ve fırını.
- ca 1932
- Elektromekanik röleler jeneratörler voltaj çıkışını stabilize etmek için kullanılırlar. Bkz Voltaj regülatörü # Elektromekanik düzenleyicileri .
- ca 1936
- Araç radyolar kullanılan elektromekanik vibratörler vakum tüpleri için uygun bir B + gerilimine 6 V akü kaynağı dönüştürmek için.
- 1959
- Transistör salınım doğrultmak dönüştürücü güç besleme sistemi ABD Patenti 3.040.271 General Motors Company'den, Joseph E. Murphy ve Francis J. Starzec tarafından yayımlandı
- ca 1967
- Bob Widlar ait Fairchild Semiconductor μA723 IC gerilim regülatörü tasarlar. Uygulamalarının biri anahtarlamalı düzenleyici gibidir.
- 1970
- Tektronix 1995 yaklaşık 1970 üretilen onun 7000 serisi osiloskop içinde Yüksek Verimlilik Güç Kaynağı kullanmaya başlar.
- 1972
- HP-35 , Hewlett-Packard ilk cep hesap makinesi, transistör için güç kaynağı anahtarlama ile tanıtıldı ışık yayan diyot , saatler, zamanlama, ROM ve kayıtlar.
- 1973
- Xerox içinde anahtarlamalı güç kaynakları kullanır Alto mini bilgisayar
- 1977
- Apple II bir anahtarlama modu güç kaynağı ile tasarlanmıştır. " Çubuk Holt ürün mühendisi olarak getirildi ve kamuoyuna hiçbir zaman Apple II çeşitli kusurları vardı. Holt onun kredisine sahip tek şey, bize çok hafif bilgisayarı yapmak için izin anahtarlama güç kaynağı yaratılmış olmasıdır ".
- 1980
- HP8662A 10 kHz - 1.28 GHz sinyal üreteci sentezlenen bir anahtarlamalı güç kaynağı ile gitti.
açıklama
Bir lineer regülatör istenen çıkış sağlar voltajı olarak fazla gücü dağılacaktır ile omik kayıpları (bir direnç ya da aktif modda bir geçiş transistörün kolektörü-yayıcı bölgesinde, örneğin). Bir lineer regülatör şeklinde fazla elektrik gücü dağılacaktır çıkış voltajı veya akım ya düzenleyen ısı ve dolayısıyla maksimum güç verimi volt farkı boşa voltaj kesme / gerilim-beri olup.
Bunun aksine, bir anahtar-modlu güç tedarik gibi ideal kayıpsız depolama elemanları, geçiş çıkış voltaj ve akım değişiklikleri indüktörler ve kondansatörler farklı elektrik konfigürasyonları arasında,. (Aktif modu dışında da çalıştırılabilir transistor ile yaklaşık) İdeal anahtarlama elemanları "açık" bir dirence sahip olan ve "kapalı" ve çok ideal bileşenler ile dönüştürücüler, yani tüm giriş güç sağlar,% 100 verim ile (faaliyet gösterecek zaman hiçbir geçerli yapmak yük, güç) yayılan ısı şeklinde israf edilir.
Bir akım kaynağı, bir bobin, bir anahtar, ve karşılık gelen, örneğin, elektrik topraklama seri olarak yerleştirilmiştir ve anahtar bir ile tahrik edilir kare dalga , anahtar boyunca ölçülen dalga biçiminin tepe-tepe voltaj aşabilir DC kaynağından giriş gerilimi oluşur. İndüktör akımı değişikliği karşı kendi gerilimi uyararak akım değişiklikleri yanıt, ve anahtar açıkken bu gerilim kaynağı voltajına ekler olmasıdır. Bir diod ve kapasitör kombinasyonu şaltere paralel yerleştirilirse, tepe voltaj kondansatör saklanabilir ve kapasitör tahrik devresi DC geriliminden daha yüksek bir çıkış voltajı ile DC kaynağı olarak kullanılabilir. Bu takviye dönüştürücü , bir gibi davranır yükseltici transformatör DC sinyalleri için. Bir Buck-Boost dönüştürücü benzer bir şekilde çalışır, ancak giriş gerilimi tersi poliriteye sahip olan bir çıkış voltajı elde edilir. Diğer kova devreleri voltajın azalma ile ortalama çıkış akımını artırmak için var.
Bir SMPS olarak, çıkış akımı akışı giriş güç sinyaline bağlıdır, depolama elemanları ve devre topolojisi kullanılan desen de kullanılabilir, ve (örneğin, darbe genişlik modülasyonu ayarlanabilir olan görev döngüsü ) anahtarlama elemanları sürücü. Spektral yoğunluk Bu anahtarlama dalga formu enerjisinin, nispeten yüksek frekanslarda yoğunlaşmıştır. Örneğin, geçiş geçici ve de dalga çıkışı dalga şekilleri üzerine uygulanır, küçük ile filtrelenebilir LC filtresi .
Avantajlar ve dezavantajlar
bir anahtar gibi hareket sviçleme transistör az güç harcar, çünkü anahtar güç kaynağı ana avantajı, lineer regülatörlerin daha büyük verimliliktir.
Diğer avantajlar, daha küçük boyut ve ağır hat frekans transformatörlerin ortadan kaldırılması ile daha düşük bir ağırlığa ve benzer ısı üretimi bulunmaktadır. Bekleme güç kaybı sıklıkla trafolar çok daha azdır.
Dezavantajları daha fazla karmaşıklığın, yüksek amplitüdlü, yüksek frekans enerjisi üretimi , düşük geçişli filtre önlemek için bloke edilmelidir elektromanyetik girişim (EMİ), bir dalga voltaj anahtarlama frekansında ve harmonik frekansları içerir.
Çok düşük maliyetli SMPSs geri ana güç hattı üzerine bir çift elektrik anahtarlama gürültüsü, aynı faza bağlı A / V ekipman ile girişime neden olabilir. Olmayan güç faktörü düzeltilmiş SMPSs da harmonik bozulmalara neden.
AGK ve lineer güç kaynağı karşılaştırma
AGK ve lineer: Mevcut güç kaynaklarının iki ana tipi vardır. Aşağıdaki tabloda, doğrusal düzenlenir ve genel olarak düzenleyiciler anahtarlama düzensiz AC-DC malzemeleri karşılaştırılmaktadır:
|Doğrusal güç kaynağı||Güç kaynağını değiştirmek||notlar|
|Ebat ve ağırlık||Yüksek güç lineer düzenleyiciler için Soğutucu boyutunu ve ağırlığını ekleyin. Kullanıldığında transformatörler,, düşük işletim frekansına büyük ( ana güç frekansı 50 ya da 60 Hz olduğu); Aksi nedeniyle düşük bileşen sayısına göre kompakt olabilir.||(Kullanıldığı takdirde, başka bir indüktör) küçük transformatör bağlı yüksek çalışma frekansı (tipik olarak 50 kHz - 1 MHz ). Yeterli büyüklüğü ve ağırlığı RF kalkanı önemli olabilir.||Frekans ile verilen boyut ve ağırlık artar bir transformatör güç kapasitesi şartıyla histerezis kayıpları aşağı tutulabilir. Bu nedenle, yüksek çalışma frekansı daha yüksek bir kapasiteye veya daha küçük transformatör ya da anlamına gelir.|
|Çıkış gerilimi||Herhangi bir voltaj mevcuttur, transformatörün ile; transformerless eğer bir ile elde edilebilir ne sınırlı gerilim katlayıcı . Düzenleme olmaması durumunda, gerilim yükü önemli ölçüde farklılık gösterir.||Yalnızca sınırlı kullanılabilir Herhangi voltajlar, transistör arıza birçok devrelerde gerilimler. Gerilim yük ile çok az değişir.||Bir SMPS, genellikle çıkış gerilimi değişmeden önce giriş geniş varyasyon ile başa çıkabilir.|
|Verimlilik , ısı ve güç dağılımı||düzenlenmiş ise: verimliliği büyük ölçüde giriş ve çıkış arasındaki gerilim farkı bağlıdır; Çıkış gerilimi% 30-40 arasında tipik bir verim elde ısı olarak fazla gücü dağılacaktır düzenlenir. düzenleme olmaması durumunda, transformatör demir ve bakır kayıpları verimsizlik tek önemli kaynakları olabilir.||Çıkış kullanılarak düzenlenir görev döngüsü kontrol; transistörler tamamen açılmış ya da tamamen devre dışı, yani giriş ve yük arasında çok az direnç kayıpları edilir. Üretilen tek ısı kontrol devre bileşenler ve hareketsiz akım ideal olmayan yönleri bulunmaktadır.||Anahtarlama transistor, direnç ile, (özellikle cihaz kısmen ile her döngünün kısa kısmen) transistör anahtarlama kayıpları eşdeğer seri direnç indüktör ve kapasitörler, ve çekirdek kayıpları indüktörde, ve rektifayer voltaj düşüşü % 60-70 arasında tipik verimliliğine katkıda bulunur. Bununla birlikte, AGK tasarım optimize ederek (örneğin, uygun anahtarlama frekansının seçimi indüktörlerin canlı tutacak ve benzeri gibi aktif arıtma ), güç kaybı ve ısı miktarı en aza indirilebilir; İyi bir tasarım% 95'lik bir verime sahip olabilir.|
|karmaşa||Düzenlenmemiş sadece bir diyot ve kapasitör olabilir; düzenlenmiş bir voltaj düzenleyici devre ve bir gürültü filtreleme kondansatörü olan; anahtarlamalı devreleri genellikle daha basit bir devre (ve daha basit bir geri besleme döngüsü stabilite kriterleri).||Bir kontrol IC bir veya birkaç güç transistörleri ve diyot gibi bir güç transformatörü, indüktörler ve oluşmaktadır filtre kondansatörleri . (Gürültü / girişim azaltılması, yüksek anahtarlama hızlarında transistörlerin en puana ilave sınırlamalar), mevcut bazı tasarım karmaşıklığı lineer regülatör devrelerinde bulunamadı.||Anahtarlamalı şebeke (AC-DC) malzemeleri, birden fazla gerilimler transformatör çekirdeği ile üretilebilir, ancak bu tasarım / kullanımı komplikasyonlara sebep olabilir: yerleştirebilir, örneğin en az bir çıkışa mevcut kısıtlamaları. Bu SMPSs için görev döngüsü kontrolünü kullanmak zorunda. Çıkışların bir (genellikle voltaj regülasyon geri besleme döngüsünü beslemeye seçilmelidir 3,3 V veya 5 V yükler daha da besleme gerilimleri ile ilgili daha titiz olan 12V yükler, böylece bir geri besleme döngüsü beslemelerine olan bu karar tahrik eder. diğer çıkışlar genellikle düzenlenmiş bir oldukça iyi) izlemek. İkisi de trafo dikkatli bir şekilde seçilmesini gerekir. Nedeniyle SMPSs yüksek çalışma frekansları için, parazit indüktans ve kapasitans baskılı devre kartı izleri önemli hale gelir.|
|Radyo frekans girişimi||Diğer birçok besleme tipi bir yüksek frekans parazit üretirken hafif yüksek frekans parazit, kuvvetli akım yük altında AC rektifayer diyodlar tarafından oluşturulabilir. Bazı şebeke düşük sinyal ses problemli korumasız kabloları içine indüksiyon Hum.||EMI / RFI akımla nedeniyle üretilen ve kapalı keskin açık. Bu nedenle, EMI filtreleri ve RF ekranlama yıkıcı girişimi azaltmak için gereklidir.||bileşenler arasında uzun tel giriş ve çıkışında kapasitörler tarafından sağlanan yüksek frekans filtre etkinliğini azaltabilir. Kararlı anahtarlama frekansı önemli olabilir.|
|Elektronik gürültü çıkış terminallerinde||Düzenlenmemiş PSU'lar iki kez frekans (şebeke DC bileşeni üzerine bindirilmiş küçük AC dalgalanma gösterebilen ve 100-120 Hz ). Bu sesli neden olabilir şebeke hum analog güvenlik kameraları ses ekipmanda, parlaklık dalgaların veya bantlı bozulmaları.||AGK 'nın anahtarlama frekansına bağlı gürültüsü. Bir filtresiz çıkış dijital devrelerin veya ses devrelerde gürültü pürüzleri neden olabilir.||Bu çıkış aşamasında kapasitörler ve diğer filtreleme devre ile bastırılabilir. Bir anahtarlamalı mod PSU ile anahtarlama frekansı (insan duyma sınırının üstünde ses sistemleri için, örneğin) frekans bandını çalışma devrelerinin dışında gürültü tutmak için seçilebilir|
|giriş terminalleri de elektronik gürültü||harmonik giriş AC'ye bozulma, ancak nispeten az veya hiç yüksek frekanslı gürültü neden olur.||Çok düşük maliyetli SMPS aynı faza bağlı A / V ekipman ile girişime neden geri ana güç hattı üzerine bir çift elektrik anahtarlama gürültüsü, olabilir. Sigara güç faktörü düzeltilmiş SMPSs da harmonik bozulmalara neden.||bir (uygun şekilde topraklanmış) EMI / RFI filtre giriş terminalleri ve köprü doğrultucu arasına bağlanır, bu şekilde önlenebilir.|
|Akustik ses||Genellikle nedeniyle transformatör veya sarımların titreşim Soluk, genellikle duyulmaz şebeke hum manyetositriksiyon .||Genellikle çoğu insanlara duyulmaz , onlar bir fan veya hatalı / yüksüz veya az ses aralığında bir anahtarlama frekansı veya bobin titreşim saclarını kullanmak sürece altharmonik çalışma frekansı.||yüksüz bir AGK 'nın çalışma frekansı sesli insan aralıkta bazen, ve kimin işitme ilgili frekans aralığına çok hassastır insanlar için subjektif oldukça yüksek gelebilir.|
|Güç faktörü||Akım gerilimi tepe noktalarında şebekeden çekilen olduğu için bir tedariki için düşük sinüzoit bir bobin giriş veya direnç-giriş devresi doğrultucu (artık nadir) aşağıdaki sürece,.||PFC olmadan basit AGK beri orta çok düşük olanların yanı sıra AC sinüzoidin doruklarına güncel sivri çizer.||Aktif / pasif güç faktörü düzeltme AGK bu sorunu telafi edebilir ve hatta özellikle AB'de bazı elektrik düzenleme otoriteleri tarafından zorunlu kılınır. Doğrusal güç kaynakları, düşük güç transformatörlerinin iç direnci genellikle tepe akımı her döngü sınırlar ve dolayısıyla, doğrudan küçük seri dirençli şebeke düzeltmek çok anahtarlamalı güç kaynaklarına göre daha iyi bir güç faktörünü verir.|
|Ani akım||Geniş akım şebeke beslemeli doğrusal güç besleme ekipmanının transformatörün manyetik akısı stabilize eder ve yavaş bir başlangıç devre kullanılmadıkça kapasitörler, tam olarak şarj kadar açılır.||Son derece "olan yığılma" dalgalanma mevcut büyük tepe, sadece filtre kondansatörleri giriş besleme ve herhangi bir seri direnç empedans ile sınırlıdır.||Onlar zirve akımının daha büyük miktarda çizim büyük kapasitörler, şarj olarak Boş filtre kapasitörler başlangıçta geçerli büyük miktarda çizin. Normal çalışma akımının üzerinde birçok kez olarak, bu büyük ölçüde dalgalanma tabi bileşenleri gerilmeler, sıkıntı üfleme önlemek için sigorta seçimi karmaşık hale getirmekte ve bu şekilde aşırı akım koruması kullanılarak ekipman ile ilgili sorunlara neden olabilir kesintisiz güç kaynakları . Uygun yumuşak başlangıç devre veya seri rezistör kullanılmasıyla hafifletilebilir.|
|Riski elektrik çarpması||Transformatörler ile Malzemeleri güç cihazdan gelen güç kaynağını izole etmek ve böylece muhafaza metal güvenle topraklı izin verir. Tehlikeli eğer birincil / ikincil yalıtım makul tasarımı ile olası, ayırır. Transformerless arz tehlikeli şebeke çalışan. Hem doğrusal ve anahtar modunda muhtemelen şebeke ve çıkış voltajları, tehlikeli ve iyi izole edilmiş olmalıdır.||(Gövdesi dahil olmak üzere), ekipman Common Rail yarım şebeke gerilimine enerji, ancak yüksek empedansa sürece ekipman topraklı / topraklanır veya giriş terminalleri EMI / RFI filtreleme içermez.||EMI / RFI radyasyonu ilişkin düzenlemeler nedeniyle birçok SMPS köprü doğrultucu önce kondansatör ve bobin oluşan giriş aşamasında EMI / RFI filtreleme içerirler. İki kapasitörler iki kapasitörler arasında Earth bağlantısı ile canlı ve Nötr raylar ile seri olarak bağlanır. Bu yarım şebeke gerilimde common rail olarak enerji sağlayan bir kapasitif bölücü oluşturur. Onun yüksek empedans akım kaynağı sızlama ve operatöre bir 'ısırık' sağlayabilir veya bir Toprak Arıza LED ışık kullanılabilir. Bununla birlikte, bu, mevcut en hassas ile açma ve sorunlara neden olabilir kaçak akım cihazları . (USB şarj gibi) topraklama pimi olmayan güç kaynakları olarak birinci ve ikinci tarafı arasında yerleştirilmiş EMI / RFI kondansatör mevcuttur. Ayrıca bazı çok hafif bir karıncalanma hissi sağlayabilir ancak kullanıcı için güvenlidir.|
|ekipman hasar riski||Kısa primer ve sekonder sarımlar arasında meydana gelen ya da sürece çok düşük, regülatör iç kısa devre tarafından başarısız olur.||Böylece çıkış voltajı çok yüksek hale getirmek için başarısız olabilir. Kapasitörler üzerinde Stres onları patlamaya neden olabilir. Gerilimi yüzen transistörün kazancı damla ve gürültü seviyeleri artmaya neden transistör baz emiter arıza gerilimi aşarsa bazı durumlarda kuvvetlendiricilerde girdi aşamalarını yok edebilir. İyi hafifletilebilir yedekli tasarım. AGK kendisi bir bileşen başarısızlığı diğer PSU bileşenlerine daha zarar görmesine neden olabilir; giderilir zor olabilir.||yüzer voltajlı güç kaynağının, birincil ve ikincil Kızılçullu'da kapasitörler kaynaklanır. topraklı cihaz bağlantısı toprak potansiyeline eşitleyen kondansatörün ikincil tarafında gerilimi olarak soketinde mevcut anlık bir (ve potansiyel olarak yıkıcı) başak neden olur.|
Operasyon teorisi
Girdi doğrultucu aşaması
AGK AC girişi varsa, o zaman ilk aşama DC girişi dönüştürülmesidir. Bu denir düzeltme . DC girişli bir SMPS bu aşamayı gerektirmez. Bazı güç kaynağı (çoğunlukla olarak bilgisayar ATX güç kaynağı ), doğrultucu devre, bir anahtarın eklenmesi ile, bir voltaj çiftleştirici olarak da çalıştırılabilir yapılandırılabilir ya elle ya da otomatik olarak. Bu özellik, 115 V, normal olarak ya da 230 V de redresör sonra büyük bir filtre kondansatörü gönderilen bir düzensiz bir DC voltajım üretir güç kaynaklarından çalışmasına izin verir. Bu redresör devresi tarafından, ana güç kaynağının çekilen akım, AC gerilim uçları çevresinde kısa darbeler oluşur. Bu darbeler güç faktörünü azaltır önemli yüksek frekans enerjisi. Bunu düzeltmek için, birçok yeni SMPS özel kullanacağı PFC güç faktörünü düzeltmek AC giriş gerilimi sinüsoidal şeklini takip giriş akımı yapmak devresini. Kullanmak güç kaynakları , aktif PFC genellikle destek girdi gerilimlerinden, otomatik değişen olan 250 VAC - VAC 100 ~ bir giriş voltajı seçici anahtar ile.
DC değişmeden doğrultucu içinden geçmesinden dolayı, AC girişi için tasarlanmış bir SMPS genellikle DC beslemeden çalıştırılabilir. Güç kaynağı için tasarlanmışsa 115 VAC ve hiçbir voltaj seçme anahtarı, gerekli DC gerilimi olurdu 163 VDC (115 × √ 2 ). Sadece tam yük için doğrultucu diyot yarısı kullanacaktır olarak kullanım Bu tip Ancak doğrultucu aşaması için zararlı olabilir. Bu muhtemelen onları erken başarısız olmasına neden, bu bileşenlerin aşırı ısınmaya neden olabilir. Güç kaynağı göre bir voltaj seçme anahtarı vardır Öte yandan, Delon devresi , 115 / 230V (bilgisayar ATX güç kaynakları tipik olarak bu kategoridedir) için, seçici anahtar koymak gerekir 230V pozisyonda ve gerekli gerilim olacaktır 325 VDC (230 x √ 2 ). Onlar çalıştırıldığında çift nominal giriş akımı işlemek için derecelendirilir çünkü güç kaynağı bu tip diyotlar DC akım gayet idare edecek 115 V nedeniyle gerilim katlayıcı çalışması için, mod. Doubler, zaman operasyonda, köprü doğrultucu sadece yarısını kullanır ve içinden akım iki kat daha fazla çalışan olmasıdır.
Inverter sahne
- Bu bölüm bloğu işaretlenmiş belirtmektedir kıyıcı diyagramında gösterilmiştir.
Dalgalı akım giriş veya, çıkış transformatörü onlarca ya da yüzlerce frekansta birkaç sargıları ile çok küçük bir güç osilatör, akıtarak AC, yukarıda tarif edilen redresör aşamasından ister doğrudan, DC dönüştürür kilohertz . Sıklığı genellikle, 20 kHz üzerinde olduğu insanlara işitilebilir hale getirmek için seçilmektedir. Geçirme araçları, bir çok aşamalı olarak uygulanır (yüksek kazanç elde etmek için) MOSFET amplifikatör. MOSFET bir tür transistor düşük içi ile dirençli ve yüksek akım taşıma kapasitesi.
Gerilim dönüştürücü ve çıkış doğrultucu
Çıkış şebeke güç kaynağı durum genellikle olduğu gibi, girdi izole edilmesi gerekli ise, ters AC yüksek frekanslı bir primer sargısına tahrik etmek için kullanılan transformatör . Bu sargı ikincil gerekli çıkış seviyesine voltaj yukarı veya aşağı dönüştürür. Blok diyagramda çıkış transformatörü, bu amaca hizmet eder.
Bir Eğer DC çıkış gereklidir, AC transformatör çıktısı rektifiye edilir. On volt ya da daha yukarıda çıkış gerilimleri için, sıradan silikon diyot yaygın olarak kullanılmaktadır. Düşük gerilimler için, Schottky diyotu yaygın redresör elemanları olarak kullanılır; bunlar yaparken ve daha düşük bir gerilim düşüşü (yüksek frekanslarda düşük kayıp işlemi sağlayan) silikon diyot daha hızlı iyileşme süreleri avantajları var. Daha düşük çıkış gerilimi için, MOSFET olarak kullanılabilir senkron redresör ; Schottky diyot ile karşılaştırıldığında, bu daha düşük iletken durum gerilimi damla var.
Rektifiye edilen çıkışı daha sonra aşağıdakilerden oluşan bir filtre düzleştirilmektedir endüktans ve kapasitör . Yüksek anahtarlama frekansları için, alt kapasitans ve endüktanslı bileşenleri ihtiyaç vardır.
Daha basit olmayan izole edilmiş güç kaynağı yerine bir transformatörün bir indüktör ihtiva eder. Bu tür içerir boost dönüştürücüler , kova dönüştürücüleri ve Buck-Boost dönüştürücüleri . Bunlar, bir indüktör ve bir aktif anahtarını kullanan tek giriş, bir çıkış dönüştürücüleri basit sınıfına aittir. Düşüren dönüştürücü görev döngüsü olarak adlandırılan toplam çevirme periyodu iletken zaman oranı, doğru orantılı olarak giriş gerilimini azaltır. Örneğin, bir% 50 görev döngüsü çalışan bir 10 V girişine sahip bir yere düşüren dönüştürücü bir geri besleme kontrol döngüsü girişi farklılaşmaların telafi etmek için görev döngüsünü değiştirerek çıkış gerilimini regüle etmek için kullanılır 5 V arasında bir ortalama çıkış voltajı üretecektir Voltaj. Bir çıkış gerilimi topolojinin giriş gerilimi ve ters çevrildiğinde Buck-Boost çıkış geriliminden daha yüksek olmasını gerektirir ancak girdi voltajının büyüklüğü, daha büyük, eşit ya da daha az olabilir. Birçok varyasyon ve uzantıları dönüştürücüler bu sınıf için vardır ama bu üç DC dönüştürücüler neredeyse tüm yalıtılmış ve yalıtımsız DC temelini oluşturur. İkinci bir indüktör ekleyerek Cuk ve Sepiç ek aktif anahtarları ekleyerek, konvertörler uygulanabilir veya çeşitli köprü dönüştürücüler gerçekleştirilebilir.
SMPSs Diğer tür bir kullanma kapasitör - diyot gerilim çarpanı yerine endüktans ve transformatörler arasında. Bunlar çoğunlukla düşük akımlarda (en yüksek gerilim oluşturmak için kullanılan Cockcroft-Walton jeneratör ). Düşük voltaj varyant olarak adlandırılır şarj pompa .
düzenleme
Bir geri besleme devresi çıkış voltajını izler ve yukarıda söz edilen blok diyagramda gösterildiği gibi, bir referans gerilimi ile karşılaştırır. Tasarım ve güvenlik şartlarına bağlı olarak, kontrol cihazı (örneğin, bir gibi bir izolasyon mekanizması içerebilir optik-bağlayıcısının DC çıkışına karşı izole etmek). Sıkıca çıkış voltajını kontrol etmek için bilgisayar malzemeleri Switching, televizyonlar ve VCR bu opto-bağlantı elemanları vardır.
Açık döngü düzenleyicileri bir geri-besleme devresini yok. Bunun yerine, transformatör veya kısma elemanının girişine sabit bir gerilim besleme kullanan ve çıkış doğru olacağı varsayılmaktadır. Düzenlenmiş tasarımlar telafi empedans trafosu veya bobinin. Kutuplu tasarımlar da telafi manyetik histerezis çekirdeğin.
geri besleme devresi, güç üretmek için önce çalıştırmak için güç gerekir, bu nedenle bir stand-by için ek bir sigara anahtarlama güç kaynağı ilave edilir.
Trafo tasarım
(Bir "off-line" dönüştürücü denir) bir AC güç hattından gücünü alır Herhangi SMPS için bir trafo gerektirir galvanik izolasyon . Bazı DC-DC dönüştürücüler izole bu gibi durumlarda önemli olmayabilir, ancak, aynı zamanda, bir transformatör de içerebilir. AGK transformatör yüksek frekansta çalışır. Off-line güç kaynakları maliyet tasarrufu (ve yer tasarrufu) çoğu eskiden kullanılan 50/60 Hz transformatörleri ile karşılaştırıldığında yüksek frekans transformatörün küçük boyutu elde edilmektedir. Ek tasarım ödünleşmeler vardır.
Bir transformatörün terminal voltajı çekirdek alan, manyetik akı ve frekans ürünü ile orantılıdır. Çok daha yüksek bir frekans kullanarak, orta tabaka alanı (ve çekirdeğin çok kütlesi) büyük ölçüde azaltılabilir. Bununla birlikte, çekirdek kayıpları yüksek frekanslarda artar. Çekirdekler genellikle kullanılmadan ferrit kullanılan yüksek frekanslarda ve yüksek akı yoğunluğu düşük bir kayıp vardır malzeme. Düşük frekanslı kaplanmış demir çekirdek (<400 Hz) transformatörler birkaç kilohertz anahtarlama frekansları de kabul edilemez bir kayıplı olacaktır. Aynı zamanda, daha fazla enerji yüksek frekanslarda anahtarlama yarı iletken geçişler sırasında kaybolur. Bundan başka, fiziksel düzeni daha fazla dikkat devre kartı olarak gereklidir parazitik daha önemli hale gelir ve miktarı, elektromanyetik girişim daha belirgin olacaktır.
Bakır kaybı
(Örneğin, 50 ya da 60 Hz şebeke frekansı gibi) düşük frekanslarda, tasarımcılar, genellikle göz ardı edilebilir cilt etkisini . İletkenler, çapından daha büyük 0.3 inç (7.6 mm) büyük olduğunda, bu frekanslar için, yüzey etkisi için önemlidir.
güç kaybı kaynağıdır çünkü güç kaynakları Switching cilt etkisi daha fazla dikkat edilmelidir. bir güç kaynağı olarak kullanılan tipik teller daha ufak bir boyutunu - 500 kHz 'de, bakır cilt derinliği yaklaşık 0.003 inç (0.076 mm). iletken ve iç kısmının yüzeyi yakınındaki mevcut konsantreler düşük frekanslarda daha az akım taşır çünkü iletkenlerin etkili rezistansı artırır.
Deri etkisi, yüksek hızlı, harmonikler ile artar PWM anahtarlama dalga formu. Uygun bir cilt derinliği temel olarak sadece derinliği değil, ama aynı zamanda cilt armoniklerde derinlikleri.
Cilt etkisine ek olarak, bir de vardır yakınlık etkisi güç kaybı başka kaynağıdır.
Güç faktörü
Basit off-line modunda güç kaynakları büyük bir enerji depolama kapasitörüne bağlanmış basit bir tam dalga doğrultucu dahil açık. Şebeke anlık gerilim bu kondansatör üzerindeki gerilimi aştığında Böyle SMPSs kısa darbeler AC hattından akım çizin. AC döngüsünün geri kalan bölümü sırasında kondansatör güç kaynağına enerji sağlar.
Bunun bir sonucu olarak, bu gibi temel güç kaynağı modu giriş akımı yüksek olan harmonik içerik ve göreceli olarak düşük güç faktörü. Bu, fayda hatlarında fazladan yük oluşturur bina kablolama, fayda ısınmasını arttırmaktadır trafo ve standart AC elektrik motorları ve böyle acil jeneratör sistemleri veya uçak jeneratörleri gibi bazı uygulamalarda kararlılık sorunlarına neden olabilir. Harmonik filtreleme ile çıkarılabilir, ancak filtreler pahalıdır. Doğrusal endüktif veya kapasitif yükler tarafından oluşturulan değiştirme güç faktörü farklı olarak, bu bozulma tek bir doğrusal bileşenin eklenmesiyle düzeltilemez. Ek devreleri kısa akım darbelerinin etkisini önlemek için gereklidir. Off-line redresörü sonra mevcut düzenlenmiş takviye kesici aşama koyarak güç faktörünü düzeltebilir (depolama kapasitörü şarj), ama karmaşıklığını ve maliyetini arttırır.
2001 yılında, Avrupa Birliği yürürlüğe standart bağlı olarak donanım dört sınıfları tanımlar 75 W yukarıda ekipman için 40. harmonik AC giriş akımı kadar harmonikleri sınırları ayarlamak için Standart IEC / EN61000-3-2 koymak ve onun tipi ve akım dalga. En titiz sınırlar (D sınıfı) kişisel bilgisayarlar, bilgisayar monitörleri ve televizyon alıcıları için kurulur. Bu gereklilikleri yerine getirmek için, modern bir anahtarlamalı güç kaynakları, normal olarak bir ek içerir güç faktörü düzeltme (PFC) aşaması.
Türleri
Anahtarlı güç kaynakları devre topolojisine göre sınıflandırılabilir. En önemli fark, izole konvertörler olmayan izole edilmiş olanlar arasındadır.
Sigara izole topolojiler
Sigara izole dönüştürücüler enerji depolama için tek bir indüktör kullanarak üç temel tip, en basit yöntemdir. Voltaj ilişkisi sütununda, D dönüştürücünün görev döngüsü, ve 0 dan 1 e (V giriş gerilimi değişebilir 1 ) sıfırdan büyük olduğu varsayılır; Bu negatif ise, tutarlılık için, çıkış voltajını etkisiz hale (V 2 ).
|tip||Tipik Güç [ B ]||Göreceli maliyet||Enerji depolama||Gerilim ilişkisi||Özellikler|
|dolar||0-1.000||1.0||Tek indüktör||0 ≤ Out ≤ olarak,||Güncel çıkışta süreklidir.|
|artırmak||0-5,000||1.0||Tek indüktör||≥ In Out,||Güncel girişindeki süreklidir.|
|Buck-boost||0-150||1.0||Tek indüktör||0 ≤ dışında,||Güncel giriş ve çıkış hem de süreksiz olduğunu.|
|Split-pi (veya, boost-Buck)||0-4,500||> 2.0||İki indüktörler ve üç kapasitörler||Yukarı veya aşağı||Çift yönlü güç kontrolü; içinde ya da dışında|
|Cuk||Kondansatör ve iki indüktörler||Herhangi ters,||Mevcut girişindeki süreklidir ve çıkış|
|Sepiç||Kondansatör ve iki indüktörler||Herhangi,||Güncel girişindeki süreklidir|
|Zeta||Kondansatör ve iki indüktörler||Herhangi,||Güncel çıkışta süreklidir|
|Şarj pompa / anahtarlamalı kapasitör||kondansatörler sadece||Resim manyetik enerji depolama dönüşüm elde etmek için gerekli olan, ancak yüksek verimlilikte güç işleme normal dönüşüm oranları ayrı bir set ile sınırlıdır.|
Buck, boost ve Buck-Boost topolojileri tüm kuvvetle ilişkilidir. Giriş, çıkış ve toprak bir noktada bir araya gelirler. Yolunda bir endüktör ile üç geçiş biri, diğer iki açma kapama düğmeleri ile geçerken. Diğer bir diyot olabilir iken iki anahtarlarından biri, (örneğin, bir transistör) etkin olmalıdır. Bazen topoloji bağlantıları yeniden etiketleyerek basitçe değiştirilebilir. Bir 12 V giriş, 5 V çıkış düşüren dönüştürücü topraklama ile 7 V giriş, -5 V çıkış buck-boost dönüştürülebilir çıkışı ve çıktı alınması toprak pimi.
Aynı şekilde, Sepiç ve Zeta dönüştürücüler Cuk dönüştürücü küçük yeniden düzenlemeler hem de.
Sıkıştırılmış nötr nokta (NPC) topolojisi güç kaynakları ve aktif filtreler kullanılır ve tamamlamak için burada söz edilmektedir.
görev çevrimleri son derece kısa hale geldikçe Seçiciler az verimli hale gelir. Yüksek gerilim değişiklikleri için, bir transformatörün (izole edilmiş) topolojisi daha iyi olabilir.
İzole topolojileri
İzole edilmiş tüm topolojileri içerir transformatör ve böylece döner oranını ayarlamak sureti ile giriş daha yüksek veya daha düşük gerilimin bir çıkış üretebilir. Bazı topolojileri için çok sayıda sarımlar birden fazla çıkış voltajları üretmek üzere transformatörün üzerine yerleştirilebilir. Diğerleri ayrı indüktör kullanmak Bazı dönüştürücüler, enerji depolama için trafo kullanın.
|tip||Güç


[ B ]
|Göreceli maliyet||Giriş alanı


[ V ]
|Enerji depolama||Özellikler|
|Flyback||0-250||1.0||5-600||Karşılıklı İndiktörler||Buck-Boost konvertör İzole formu.|
|Zil jikle dönüştürücü (BK)||0-150||1.0||5-600||transformatör||Düşük maliyetli kendinden salınan flyback varyantı.|
|Yarım ileri||0-250||1.2||5-500||indüktör|
|ileri||100-200||60-200||indüktör||kova dönüştürücünün izole bir şekilde|
|rezonans ileri||0-60||1.0||60-400||Bobin ve kondansatör||Tek raylı girişi, düzensiz çıkışı, yüksek verim, düşük EMİ .|
|İtme çekme||100-1,000||1.75||50-1,000||indüktör|
|Yarım köprü||0-2000||1.9||50-1,000||indüktör|
|Tam köprü||400-5,000||> 2.0||50-1,000||indüktör||En yüksek güçler için kullanılan trafonun Çok verimli kullanımı.|
|Rezonans, sıfır voltaj anahtarlamalı||> 1,000||> 2.0||Bobin ve kondansatör|
|İzole Cuk||İki kapasitörler ve iki indüktörler|
- ^ 1 Flyback tipi logaritmik kontrol döngüsü davranışı diğer türlerine göre kontrol etmek zor olabilir.
- ^ 2 ileri dönüştürücü transformatör "reset" ne değişen çeşitli varyantları yer alır sıfırmanyetik akıher devirde.
Yarı rezonans sıfır akım / sıfır gerilim şalter
Bir yarı-rezonans sıfır akım / sıfır voltaj anahtarı (SAA / ZVS) 'de ", her bir anahtar döngüsü dönüştürücü çıkışına bir enerji nicelenmiş 'paket' verir ve rahatsız edecek sıfır akım ve gerilim oluşur üzerinde edecek ve anahtar , esasen kayıpsız anahtarı elde edilir." Olarak da bilinen yarı-rezonans anahtarlama, vadi anahtarlama azaltır EMI iki yöntemle güç kaynağı:
- gerilimi (vadi) bir minimumda olduğunda çift kutuplu anahtar geçiş yaparak EMI neden sabit anahtarlama etkisini en aza indirmek için.
- bir vadi tespit edildiğinde yerine, sabit bir frekansta daha geçiş yaparak, RF emisyonları spektrumu yayılır ve genel EMI azaltan bir doğal frekans titreşimlerini getirmektedir.
Verimliliği ve EMI
Daha yüksek giriş voltajı ile senkron arıtma modu dönüştürme işlemi daha verimli hale getirir. Kumandanın güç tüketimi de dikkate alınmalıdır. Daha yüksek anahtarlama frekansı Parça boyutları büzdürüledek, ancak daha fazla üretebilir sağlar RFI . Bir rezonant ileri dönüştürücü düşük üreten EMI bir yumuşak anahtarlama kullandığı için bir SMPS yaklaşım rezonans geleneksel sabit anahtarlama kıyasla dalga biçimi.
Başarısızlık modları
Bu nedenle, geçiş parçaları, devre kartı ve başarısızlık için okumaya elektronik arıza modları maddesinde.
Muzdarip kapasitörler güç kaynakları kondansatör veba kapasitans orijinal değerinin% 4 düştüğünde prematüre başarısızlık karşılaşabilirsiniz. Bu, genellikle iletken bir biçimde başarısız olmasına anahtarlama yarı iletken yol açar. Bu tam giriş volt ve akımına bağlı yüklerin ortaya ve çıkış yabani salınımların hızlandırabilir.
Çevirmeli transistörün Başarısızlık yaygındır. Nedeniyle büyük anahtarlama bu transistör (yaklaşık işlemesi gerekir gerilimleri V 325 bir için 230 V AC bu transistörler genellikle kısa dışarı, sırayla hemen ana dahili güç sigorta üfleme, şebekeye).
Önlemler
Ana filtre kondansatörü genellikle kadar depolayacak 325 volt güç kablosu duvardan çıkarıldıktan sonra uzun. Tüm güç kaynakları yavaş yavaş bu kapasitör deşarj küçük bir "boşaltıcı" direnç içerir. Bu kondansatör ile herhangi bir temas ciddi bir elektrik çarpmasına neden olabilir.
Primer ve sekonder taraf azaltmak için bir kapasitör ile bağlı olabilir EMI ve transformatör biridir dönüştürücü devre, farklı kapasitif etkileşim telafi. Bu, bazı durumlarda elektrik çarpması ile sonuçlanabilir. Akan akım hattı ya da nötr bir geçiş 2 kH erişilebilir bir kısmına direnç, uygun olmalıdır IEC 60950 , daha az olacak 250 uA BT donatımı.
Uygulamalar
Gibi yerli ürünlerde SMPS birimleri (PSU) kişisel bilgisayarlar genellikle güç kabul edebilir, yani evrensel girişler var şebeke kaynaklarının manuel voltaj aralığı anahtarı gerekebilir rağmen, tüm dünyada. Anahtarı güç kaynakları geniş bir yelpazede tahammül güç frekansları ve gerilimler.
Onların yüksek hacimlere cep telefonu şarj her zaman özellikle hassas mal olmuştur. İlk şarj edildi lineer güç kaynakları , ancak hızla maliyetli zil boğma dönüştürücü verimliliği yeni seviyeleri gerekmekte (RCC) SMPS topoloji, taşındı. Son zamanlarda, daha talebi geri-uçma topolojisi daha yaygın olarak kullanılan bu uygulamada güç gereksinimleri anlamına gelmektedir yüksüz düşürmek üzere; primer taraf algılama flyback kontrol cihazları da kesmek için yardımcı olan malzemelerin fatura gibi ikincil taraftaki algılama bileşenleri kaldırarak (BOM) optik bağlayıcılar .
Darbeli güç kaynakları yanı DC dönüşüm DC kullanılmaktadır. Ağır araç nominal kullanımı otomobil olarak 24 V DC krank kaynağı ile 12V bir DC / DC anahtarlamalı kaynağı ile döşenebilir. Bu, tüm 12V yük eşit olarak 24 V akü, tüm hücreler üzerinde ayrılmıştır (yarı hücreleri kullanılarak) 12 V pozisyonunda pil dokunarak üzerinde bir avantaja sahiptir. Böyle telekomünikasyon rafları endüstriyel ayarlarında, toplu güç gerekli her türlü gerilim tedarik DC / DC anahtarlamalı dönüştürücüler var olacak bir düşük DC gerilimi (bir pilden örneğin sistemini yedeklemek) ve bireysel ekipman öğeleri dağıtılabilir.
anahtarlamalı güç kaynakları için yaygın bir kullanım aydınlatma için ekstra alçak gerilim kaynağı olarak, ve bu uygulama için genellikle "elektronik transformatörler" denir.
terminoloji
Terimi switchmode kadar yaygın olarak kullanılan idi Motorola anahtarlama modlu güç kaynağı pazarına yönelik ürünler için marka switchmode sahipliğini iddia etti ve onların markasını uygulamak başladı. Güç kaynağı-mode Switching , güç kaynağı anahtarlama ve regülatör anahtarlama güç kaynağı bu tip bakın.
Ayrıca bakınız
- autotransformer
- Yükseltici dönüştürücü
- Buck çevirici
- İletilen elektromanyetik girişim
- DC dönüştürücü DC
- Ani akım
- Joule hırsız
- kaçak indüktans
- Anahtarlama amplifikatör
- transformatör
- Vibratör (elektronik)
notlar
Referanslar
- Pressman'la, İbrahim I. (1998), Güç Kaynağı Tasarımı Switching (2 ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052236-7
daha fazla okuma
- Basso, Christophe (2008), Anahtar Güç Kaynakları: SPICE simülasyon ve Pratik Tasarımlar , McGraw-Hill, ISBN 0-07-150858-9
- Basso, Christophe (2012), A Öğretici Kılavuzu: Tasarım Kontrolü Doğrusal ve anahtarlamalı güç kaynakları menteşesi Artech House, ISBN 978-1608075577
- Kahverengi Marty (2001), Güç Kaynağı Cookbook (2 ed.), Newnes, ISBN 0-7506-7329-X
- Erickson, Robert W .; Maksimoviç Dragan (2001), Güç Elektroniği Temelleri (İkinci ed.), ISBN 0-7923-7270-0
- Liu, Mingliang (2006), Demystifying Devreleri-Kondansatör Anahtarlı Elsevier, ISBN 0-7506-7907-7
- Luo Fang Lin; Ye, Hong (2004), Gelişmiş DC / DC Dönüştürücüler , CRC Press, ISBN 0-8493-1956-0
- Luo Fang Lin; Ye, Hong; Raşid Muhammed H. (2005), Güç Sayısal Güç Elektroniği ve Uygulamaları , Elsevier, ISBN 0-12-088757-6
- Maniktala, Sanjaya (2004), Güç Kaynağı Tasarım ve Optimizasyon Switching , McGraw-Hill, ISBN 0-07-143483-6
- Maniktala, Sanjaya (2006), Güç Anahtarlama Z'ye Malzemeleri , Newnes / Elsevier, ISBN 0-7506-7970-0
- Maniktala, Sanjaya (2007), Giderme Güç Dönüştürücüleri Switching: A Hands-on Guide , Newnes / Elsevier, ISBN 0-7506-8421-6
- Mohan Ned; UNDELAND, M .; Tore Robbins, William P. (2002), Güç Elektroniği: Dönüştürücüler, Uygulamalar ve Tasarım , Wiley, ISBN 0-471-22693-9
- Nelson, Carl (1986), LT1070 tasarım Manuel , AN19 , Lineer TeknolojiBuck, Boost, Cuk, Inverter uygulamalarında geniş bir tanıtım vererek uygulama notu. (PDF olarak indir http://www.linear.com/designtools/app_notes.php )
- Pressman'la, Abraham .; Billings, Keith; Morey, Taylor (2009), Güç Kaynağı Tasarımı Switching (Üçüncü ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-148272-5
- Raşid Muhammed H. (2003), Güç Elektroniği: Devreler, Cihazlar ve Uygulamaları , Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3
- İlgili Ortam Anahtarlamalı güç kaynaklarının Wikimedia Commons
- Güç Kaynağı Topolojiler Poster Switching - Texas Instruments
- 5 Ekim EDN 1979 yılında yayınlanan James Colottı tarafından Tepe Verimliliği için Güç Kaynakları, Yük